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在生物3D打印中计算机辅助设计的作用

发布日期：2023/12/5 10:07:49

以计算机辅助设计（Computer-aided design，CAD）和计算机辅助制造（Computer-aided manufacturing，CAM）为主题，介绍生物3D打印上游从数据获取、处理到最终生成生物3D打印机能够运行的代码的过程中涉及的技术及其优缺点。

目前，计算机辅助设计（CAD）已结合至许多行业，成为设计和制造中不可或缺的技术之一。得益于该技术，设计师能够在用户和最终产品间建起一座视觉桥梁，将抽象的想法呈现在屏幕上。借助计算机，设计师能够快速绘制草稿、优化方案、模拟使用场景，使设计师和用户得以更深入理解某一设计在实际应用中的情况。需要注意的是，CAD并非某一款软件，只要是能够辅助设计师完成产品设计的相关软件，都可视作CAD（同样地，在软件名称中含有“CAD”字样，往往也暗示着该软件的主要功能，图1）。

图1 regenHU生物3D打印机附带的BioCAD三维建模软件

CAD&CAM在生物3D打印领域的作用

在生物3D打印领域，尽管重心更多地偏向于生物材料，计算机辅助设计和计算机辅助制造作为实现该领域长期发展的有力工具仍然值得重视。在Murphy的文章中，就将生物3D打印过程分为三个阶段：一、成像与设计；二、材料和细胞的选择；三、组织打印和构建^[1]。良好的设计是优秀组织构建的基础，因此我们必须重视CAD与CAM这类辅助技术。

在打印过程中，科研工作者常常会使用多孔结构，帮助细胞更好地附着生长。一方面随着打印技术的提升，多孔结构复杂的构型能够被精确地打印出来，另一方面，得益于CAD技术，这些复杂的结构也能够在与材料强度匹配的情况下被绘制出来。

数据获取

不论是徒手从零开始绘制一个器官模型，还是直接使用现有的医学影像结果优化，都需要首先获得目标器官的完整数据。在医学领域，科研工作者常使用计算机断层扫描（Computed tomography，CT）、磁共振成像（Magnetic resonance imaging，MRI）、正电子发射计算机断层显像（Positron emission tomography，PET）、超声等方式获得目标器官的完整图像。这些技术各有优缺点，如CT的优点是空间分辨率高、扫描时间短，缺点则是有辐射；而MRI则没有辐射；超声则兼具便宜、可携带、无辐射、耗电量小等优势，但分辨率却并不理想等。

获取的一手图像往往包含多个器官，我们需针对目标器官进行分离。为了使分离变得容易，不论是上述何种成像方式，高信噪比永远是科研工作者期望的重要指标。过低的信噪比将会导致目标器官图像与周边其他不需要的部分融为一体，难以区分。截至目前，已经出现了许多针对不同器官的图像分离算法，但没有任何一个单一算法可以有效解决所有图像分离任务。其中的一个问题是算法会出现遗漏，或把本不该出现的部分算进需要的区域中。当出现算法难以区分的情况，就需要工作者对每一层进行手动划分，这将大大降低效率。因此开发稳定可靠的算法始终是数据获取的重要研究方向。

regenHU生物3D打印机附带的BioCUT医学影像分割软件

数据处理

原始的三维数据量通常较大，需进行压缩以减少软件处理时的压力。但同时，我们也需意识到，压缩通常意味着数据的丢失——一旦丧失必要的细节，即便成功打印出一个器官，对于科研工作者需要研究的问题也无济于事。因此，涉及生物3D打印的工作者必须权衡数据量和细节保留之间的平衡。

完成数据的选择及压缩后，需完成最后一步——转换成生物3D打印机能够运行的代码。即便是三维的图像，对于打印机而言仍然是多层二维图像的堆叠，因此该步骤会涉及三维数据的分层。将数据分层并转为代码的算法通常会包含诸多打印机相关的信息，如材料特性、挤出方法、挤出量、空间位置等等。理想的软件应当在输入生物墨水（即打印材料）后自动生成上述参数，然而受限于目前的技术，实际使用过程中，科研工作者仍然需要不断地自行摸索这些参数。这也是目前众多生物3D打印机公司推出自研墨水的重要原因——省去用户摸索材料性质所消耗的大量时间，提升效率。

讨论

尽管生物3D打印已发展多年，但就技术和生物理论层面仍然处于较为初级的阶段。Cormac^[2]认为，生物3D打印所面临的挑战仍然较多，其中一个大挑战便是开发应用更广泛的细胞结构，使得该结构中的细胞具有较长的寿命，同时可对细胞进行各类实验操作。而最终目标则是打印整个器官。这将涉及到各个专业的科研工作者，因此多学科的共同合作至关重要。否则，不同专业所产生的不同需求和目标将会导致额外的研发支出和重复劳作。

参考文献

[1] Murphy SV, Atala A (2014) 3D bioprinting of tissues and organs. Nat Biotechnol 32:773–785.

[2] Estermann M., Bisig C., Septiadi D., Petri-Fink A., Rothen-Rutishauser B. (2020) Bioprinting for Human Respiratory and Gastrointestinal In Vitro Models. In: Crook J. (eds) 3D Bioprinting. Methods in Molecular Biology, vol 2140. Humana, New York, NY. https://doi.org/10.1007/978-1-0716-0520-2_13